KR102552767B1 - 전원 잡음 제거 능력을 갖는 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서는 액티브 픽셀을 갖는 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있다. 액티브 픽셀은 입사광에 응답하여 이미지 신호들을 생성할 수 있다. 이미지 센서는 또한 전원 및 부스터 회로를 포함할 수 있다. 전원은 제1 잡음 성분을 갖는 전원 전압 신호를 액티브 픽셀에 제공할 수 있다. 부스터 회로는 제1 잡음 성분의 반전 버전인 제2 잡음 성분을 갖는 제어 신호를 액티브 픽셀에 제공할 수 있다. 제2 잡음 성분을 갖는 제어 신호는 원하지 않는 잡음 성분(예컨대, 전원 잡음)인 제1 잡음 성분을 제거하는 데 사용될 수 있다. 부스터 회로는 연산 증폭기, 다양한 구성으로 연산 증폭기의 2개의 입력 단자 및 하나의 출력 단자에 결합되는 커패시터들 및 스위치들을 포함할 수 있다.

Description

전원 잡음 제거 능력을 갖는 이미지 센서{IMAGE SENSORS WITH POWER SUPPLY NOISE REJECTION CAPABILITIES}
본 발명은 일반적으로 이미징 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는 전원 잡음 제거 능력을 갖는 이미징 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 통상 셀룰러 전화, 카메라 및 컴퓨터와 같은 전자 장치에서 이미지를 캡처하는 데 사용된다. 전형적인 배열에서, 전자 장치에는 픽셀 행(pixel row)들 및 픽셀 열(pixel column)들로 배열된 이미지 픽셀들의 어레이가 제공된다. 회로는 통상 이미지 픽셀들로부터 아날로그 이미지 신호들을 판독하기 위해 각각의 픽셀 열에 결합된다. 전원(예컨대, 전압원)은 임의의 관련 회로를 구동하기 위해 이미지 픽셀들에 전원 전압을 제공하는 데 사용된다.
조절기 회로가 이미지 픽셀들에 전력을 분배하고 제공하는 데 사용될 수 있지만, 단일 조절기 회로를 갖는 그러한 구성은 높은 입력 전원 전압을 요구할 수 있으며, 이는 바람직하지 않다. 부스터 회로가 입력 전원 전압을 감소시키기 위해 조절기 회로와 조합하여 사용될 수 있다. 그러나, 증가된 양의 전력을 제공하는(예컨대, 대응하는 전압을 공급하는) 부스터 회로의 능력과 출력 잡음 사이에는 트레이드오프(tradeoff)가 존재한다. 다시 말해서, 부스터 회로가 고전압을 생성할 때, 고전압은 보통 큰 잡음 성분을 포함한다.
부스터 회로의 출력 잡음이 회로를 통해 이미지 픽셀들 내에서 전파되기 때문에, 전원 잡음은 부스터 회로의 출력 잡음에 대응한다. 이미지 픽셀들의 전력 요구를 충족시키기 위해, 많은 양의 전원 잡음이 부스터 회로에 의해 생성된다. 조절기와 부스터 회로 조합에 의해 생성되어 이미지 픽셀들에 공급되는 전원 잡음은 이미지 센서의 동작에 해롭다.
따라서, 전원 잡음 제거 능력을 갖는 이미징 장치를 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 픽셀들의 어레이를 사용하여 이미지들을 캡처하기 위한 이미지 센서 및 처리 회로를 갖는 예시적인 전자 장치의 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 부스터 회로에 결합된 예시적인 픽셀 어레이의 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 예시적인 이미지 픽셀의 회로도이다.
도 4는 실시예에 따른 전원 잡음을 소거하기 위한 입력으로서 잡음 소거 신호를 갖는 도 3에 도시된 타입의 예시적인 이미지 픽셀의 회로도이다.
도 5는 실시예에 따른 입력으로서 잡음 소거 신호를 갖는 도 4에 도시된 타입의 이미지 픽셀을 동작시키기 위한 예시적인 타이밍도이다.
도 6은 실시예에 따른 개루프 구현에서 도 4에 도시된 타입의 이미지 픽셀에 결합된 예시적인 부스터 회로의 회로도이다.
도 7은 실시예에 따른 도 6에 도시된 타입의 부스터 회로를 동작시키기 위한 예시적인 타이밍도이다.
도 8은 실시예에 따른 폐루프 구현에서 도 4에 도시된 타입의 이미지 픽셀에 결합된 예시적인 부스터 회로의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 도 1 내지 도 8의 실시예들 중 일부를 사용할 수 있는 프로세서 시스템의 블록도이다.
디지털 카메라, 컴퓨터, 셀룰러 전화 및 다른 전자 장치와 같은 전자 장치들은 이미지를 캡처하기 위해 입사광을 수집하는 이미지 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서들은 이미지 픽셀들의 어레이들을 포함할 수 있다. 이미지 센서들 내의 픽셀들은 입사광을 이미지 신호들로 변환하는 포토다이오드들과 같은 감광 요소(photosensitive element)들을 포함할 수 있다. 이미지 센서들은 임의의 수(예컨대, 수백 또는 수천 또는 그 초과)의 픽셀들을 가질 수 있다. 전형적인 이미지 센서는 예를 들어 수십만 또는 수백만 개의 픽셀(예컨대, 메가픽셀)들을 가질 수 있다. 이미지 센서들은 이미지 픽셀들을 동작시키기 위한 회로와 같은 제어 회로, 및 감광 요소들에 의해 생성된 전하에 대응하는 이미지 신호들을 판독하기 위한 판독 회로를 포함할 수 있다.
도 1은 이미지들을 캡처하기 위해 이미지 센서를 사용하는 전자 장치와 같은 예시적인 이미징 시스템의 도면이다. 도 1의 전자 장치(10)는 카메라, 셀룰러 전화, 태블릿 컴퓨터, 웹캠, 비디오 카메라, 비디오 감시 시스템, 자동차 이미징 시스템, 이미징 능력들을 갖는 비디오 게이밍 시스템, 또는 디지털 이미지 데이터를 캡처하는 임의의 다른 원하는 이미징 시스템 또는 장치와 같은 휴대용 전자 장치일 수 있다. 카메라 모듈(12)은 입사광을 디지털 이미지 데이터로 변환하는 데 사용될 수 있다. 카메라 모듈(12)은 하나 이상의 렌즈(14) 및 하나 이상의 대응하는 이미지 센서(16)를 포함할 수 있다. 렌즈들(14)은 고정 및/또는 조정 가능 렌즈들을 포함할 수 있고, 이미지 센서(16)의 이미징 표면 상에 형성된 마이크로렌즈들을 포함할 수 있다. 이미지 캡처 동작들 동안, 장면(scene)으로부터의 광이 렌즈들(14)에 의해 이미지 센서(16) 상에 포커싱될 수 있다. 이미지 센서(16)는 아날로그 픽셀 데이터를, 저장 및 처리 회로(18)에 제공될 대응하는 디지털 이미지 데이터로 변환하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 원하는 경우, 카메라 모듈(12)에는 렌즈들(14)의 어레이 및 대응하는 이미지 센서들(16)의 어레이가 제공될 수 있다.
저장 및 처리 회로(18)는 하나 이상의 집적 회로(예를 들어, 이미지 처리 회로, 마이크로프로세서, 랜덤 액세스 메모리 및 비휘발성 메모리와 같은 저장 장치 등)를 포함할 수 있으며, 카메라 모듈(12)로부터 분리되고/되거나 카메라 모듈(12)의 일부를 형성하는 컴포넌트들(예컨대, 이미지 센서들(16)을 포함하는 집적 회로 또는 이미지 센서들(16)과 관련된 모듈(12) 내의 집적 회로의 일부를 형성하는 회로들)을 사용하여 구현될 수 있다. 카메라 모듈(12)에 의해 캡처된 이미지 데이터는 처리 회로(18)를 사용하여(예를 들어, 처리 회로(18) 상의 이미지 처리 엔진을 사용하여, 처리 회로(18) 상의 이미징 모드 선택 엔진을 사용하여, 등등) 처리 및 저장될 수 있다. 처리된 이미지 데이터는, 원하는 경우, 처리 회로(18)에 결합된 유선 및/또는 무선 통신 경로들을 사용하여 외부 장비(예를 들어, 컴퓨터, 외부 디스플레이 또는 다른 장치)에 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(16)는 행들 및 열들로 배열된 이미지 센서 픽셀들(22)(때때로 본 명세서에서 이미지 픽셀들 또는 픽셀들로 지칭됨)을 갖는 픽셀 어레이(20), 및 제어 및 처리 회로(24)를 포함할 수 있다. 어레이(20)는 예를 들어 이미지 센서 픽셀들(22)의 수백 또는 수천 개의 행 및 열을 포함할 수 있다. 제어 회로(24)는 행 제어 회로(26) 및 이미지 판독 회로(28)(때때로 열 제어 회로, 판독 회로, 처리 회로 또는 열 디코더 회로로 지칭됨)에 결합될 수 있다. 행 제어 회로(26)는 제어 회로(24)로부터 행 어드레스들을 수신하고, 리셋, 행-선택, 전하 전송, 이중 변환 이득 및 판독 제어 신호들과 같은 대응하는 행 제어 신호들을 행 제어 경로들(30)을 통해 픽셀들(22)에 공급할 수 있다. 열 라인들(32)과 같은 하나 이상의 도전성 라인이 어레이(20) 내의 픽셀들(22)의 각각의 열에 결합될 수 있다. 열 라인들(32)은 픽셀들(22)로부터 이미지 신호들을 판독하고 바이어스 신호들(예를 들어, 바이어스 전류들 또는 바이어스 전압들)을 픽셀들(22)에 공급하는 데 사용될 수 있다. 원하는 경우, 픽셀 판독 동작들 동안, 어레이(20) 내의 픽셀 행이 행 제어 회로(26)를 사용하여 선택될 수 있고, 그 픽셀 행 내의 이미지 픽셀들(22)에 의해 생성되는 이미지 신호들이 열 라인들(32)을 따라 판독될 수 있다.
이미지 판독 회로(28)는 열 라인들(32)을 통해 이미지 신호들(예를 들어, 픽셀들(22)에 의해 생성되는 아날로그 픽셀 값들)을 수신할 수 있다. 이미지 판독 회로(28)는 어레이(20)로부터 판독된 이미지 신호들을 샘플링하고 일시적으로 저장하기 위한 샘플 및 홀드 회로, 증폭기 회로, 회로(34)와 같은 아날로그/디지털 변환기(ADC) 회로, 바이어스 회로, 열 메모리, 열 회로를 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블하기 위한 래치 회로, 또는 픽셀들(22)을 동작시키고 픽셀들(22)로부터 이미지 신호들을 판독하기 위해 어레이(20) 내의 픽셀들의 하나 이상의 열에 결합된 다른 회로를 포함할 수 있다. 판독 회로(28) 내의 ADC 회로(34)는 어레이(20)로부터 수신된 아날로그 픽셀 값들을 대응하는 디지털 픽셀 값들(때때로 디지털 이미지 데이터 또는 디지털 픽셀 데이터로 지칭됨)로 변환할 수 있다. ADC 회로(34)의 하류측에 있는 회로가 디지털 픽셀 데이터를 추가로 처리할 수 있다. 이미지 판독 회로(28)는 하나 이상의 픽셀 열 내의 픽셀들에 대한 디지털 픽셀 데이터를 제어 및 처리 회로(24) 및/또는 프로세서(18)(도 1)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 디지털 상관 이중 샘플링 처리가 ADC 회로(34)의 하류측에서 발생할 수 있다. 이는 단지 예시적이며, 원하는 경우, 다른 처리 동작들이 ADC 회로(34)의 하류측 또는 상류측에서 발생할 수 있다.
원하는 경우, 이미지 픽셀들(22)은 이미지 광에 응답하여 전하를 생성하기 위한 하나 이상의 감광 영역을 포함할 수 있다. 이미지 픽셀들(22) 내의 감광 영역들은 어레이(20) 상의 행들 및 열들로 배열될 수 있다. 픽셀 어레이(20)에는 단일 이미지 센서가 상이한 컬러들의 광을 샘플링하도록 허용하는 다수의 컬러 필터 요소들을 갖는 컬러 필터 어레이가 제공될 수 있다. 예로서, 어레이(20) 내의 이미지 픽셀들과 같은 이미지 센서 픽셀들에는 단일 이미지 센서가 바이어 모자이크 패턴(Bayer mosaic pattern)으로 배열된 대응하는 적색, 녹색 및 청색 이미지 센서 픽셀들을 사용하여 적색, 녹색 및 청색(RGB) 광을 샘플링하도록 허용하는 컬러 필터 어레이가 제공될 수 있다. 바이어 모자이크 패턴은 2×2 이미지 픽셀들의 반복 단위 셀로 이루어지며, 이때 2개의 녹색 이미지 픽셀은 서로 대각선으로 대향하고, 청색 이미지 픽셀에 대각선으로 대향하는 적색 이미지 픽셀에 인접한다. 다른 적합한 예에서, 바이어 패턴 내의 녹색 픽셀들은 광대역 컬러 필터 요소들(예를 들어, 투명 컬러 필터 요소들, 황색 컬러 필터 요소들 등)을 갖는 광대역 이미지 픽셀들로 대체된다. 이러한 예들은 단지 예시적인 것이며, 일반적으로 임의의 원하는 컬러의 그리고 임의의 원하는 패턴의 컬러 필터 요소들이 임의의 원하는 수의 이미지 픽셀들(22) 위에 형성될 수 있다.
행 제어 회로(26)는 타이밍 생성 회로(36), 부스터 회로(38), 행 구동기 회로(40) 및 바이어스 회로(42)를 포함할 수 있다. 원하는 경우, 바이어스 회로(42) 및 타이밍 생성 회로(36)는 제어 및 처리 회로(24) 내에 포함될 수 있는데, 이는 바이어스 회로(42) 및 타이밍 생성 회로(36)가 행 방식 회로(예를 들어, 부스터 회로(38) 및 행 구동기 회로(40)) 및 열 방식 회로(예를 들어, ADC 회로(34)) 양자와 통신하기 때문이다. 타이밍 생성 회로(36) 및 바이어스 회로가 행 제어 회로 내에 있는 경우, 이들은 라인들(44)을 통해 이미지 판독 회로(28)와 통신할 수 있다.
타이밍 생성 회로(36)는 이미지 픽셀들(22)을 동작시키기 위한 타이밍 제어 신호들(예를 들어, 이미지 신호 판독 동안의 타이밍 제어 신호들)을 생성하기 위해 판독 회로(28)에 결합될 수 있다. 타이밍 생성 회로(36)는 또한 원하는 동작들의 타이밍 스케줄에 따라 다양한 제어 신호들(예를 들어, 소스 팔로워 트랜지스터 제어 신호, 전송 트랜지스터 제어 신호 등)을 중계하기 위해 행 구동기 회로(40)에 결합될 수 있다. 바이어스 회로(42)는 원할 때(예를 들어, 픽셀 어레이(20)로부터 이미지 신호를 구동할 때) 바이어스 전압(예를 들어, 접지 전압, 기준 전압 등)을 제공하기 위해 부스터 회로(38) 및 판독 회로(28)에 결합될 수 있다. 부스터 회로(38)는 전압 신호들(예를 들어, 바이어스 전압 신호들) 또는 제어 신호들을 이미지 픽셀들(22)의 각자의 행들에 제공하기 위해 행 구동기 회로(40)에 결합될 수 있다. 전압 및 제어 신호들은 행 제어 경로들(30) 및 추가 경로들(도시되지 않음)을 통해 픽셀 어레이(20)로 전송될 수 있다. 부스터 회로(38)는 바이어스 회로(42)로부터 입력 기준 전압을 수신하여 픽셀 어레이(20)에 바이어스 전압을 제공할 수 있다. 원하는 경우, 부스터 회로(38)는 바이어스 회로(42)로부터 임의의 수의 입력 전압을 수신하여 어레이(20) 내의 픽셀들에 대한 임의의 수의 바이어스 전압들 및/또는 제어 신호들을 생성할 수 있다. 다시 말해서, 어레이(20) 내의 회로에 대한 제어 신호들 및 전원 전압 신호들은 타이밍 생성 회로(36), 부스터 회로(38) 및 행 구동기 회로(40)를 사용하여 생성될 수 있다.
부스터 회로(38)는 하이 부스터 회로 및 로우 부스터 회로를 포함할 수 있다. 행 구동기 회로(40)는 각각의 각자 행 내의 픽셀들(22) 각각에 대한 각각의 제어 신호 및/또는 전원 전압 신호에 대한 2개의 3-단자 스위치를 포함할 수 있다. 제1 스위치는 대응하는 행 내의 대응하는 픽셀에 대한 대응하는 제어 신호 또는 전원 전압 신호에 결합된 제1 단자를 가질 수 있다. 제1 스위치의 제2 단자는 하이 부스터 회로에 결합될 수 있다. 제1 스위치의 제3 단자는 스위치 제어 신호에 결합될 수 있다. 제2 스위치는 대응하는 행 내의 대응하는 픽셀에 대한 동일한 대응하는 제어 신호 또는 전원 전압 신호에 결합된 제1 단자를 가질 수 있다. 제2 스위치의 제2 단자는 로우 부스터 회로에 결합될 수 있다. 제2 스위치의 제3 단자는 스위치 제어 신호에 결합될 수 있다. 그러한 구성에서, 부스터 회로(38)는 하이 부스터 회로와 로우 부스터 회로 사이에 주어진 전압 차이를 제공할 수 있다. 주어진 전압 차이는 스위치의 제3 단자에 제공되어 원하는 픽셀 내의 원하는 단자로 전송될 수 있다. 대안적으로, 제1 스위치는 제어 신호에 대한 ON 신호를 나타낼 수 있고, 제2 스위치는 제어 신호에 대한 OFF 신호를 나타낼 수 있거나, 그 반대일 수 있다.
도 2의 이미지 센서(16)는 단지 예시적이다. 이미지 센서(16) 내의 일부 특징들(도 1)은 명료성의 이유로 도 2에서 생략되어 있다. 원하는 경우, 추가의 기능들을 제공하기 위해 이미지 센서(16) 내에 추가의 특징들이 또한 포함될 수 있다. 예로서, 어레이(20)는 입사광으로부터의 이미지 신호들을 수집하지 않는 광학적으로 다크 픽셀들(예를 들어, 흑색 픽셀들, 도 2에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 다크 픽셀들은 차폐 구조를 사용하여 입사광으로부터 차폐될 수 있다. 임의의 적합한 차폐 구조가 사용되어, 입사광이 다크 픽셀들의 감광 영역들에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 대안적으로, 다크 픽셀들 상의 감광 영역은 다크 픽셀들을 입사광에 둔감해지게 만들기 위해 임의의 원하는 방법을 사용하여 디스에이블될 수 있다. 다크 픽셀들은 디지털 보정을 위해 그리고/또는 활성 픽셀들을 둘러싸는 물리적 가드 밴드로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 다크 픽셀들은 임의의 원하는 패턴으로 형성될 수 있다.
도 3은 예시적인 이미지 센서 픽셀(22)에 대한 회로도이다. 픽셀(22)은 감광 영역(46)(예를 들어, 포토다이오드(46))을 포함할 수 있다. 포토다이오드(46)는 소정 기간(예를 들어, 노출 시간)에 걸쳐 입사광을 수신하고, 노출 시간에 걸쳐 입사광에 대응하는 이미지 신호를 생성할 수 있다. 픽셀(22)은 또한 전송 트랜지스터(48), 리셋 트랜지스터(50) 및 소스 팔로워 트랜지스터(52)를 포함할 수 있다. 픽셀(22)은 행 선택 트랜지스터(도시되지 않음) 또는 추가의 능력을 가능하게 하는 임의의 다른 원하는 트랜지스터들을 추가로 포함할 수 있다.
전송 트랜지스터(48)는 전송 제어 신호 TX에 의해 제어되는 게이트를 가질 수 있다. 전송 트랜지스터(48)는 포토다이오드(46)를 부동 확산 영역(floating diffusion region)(54)(때때로 본 명세서에서 부동 확산(54) 또는 부동 확산 노드(54)로 지칭됨)에 결합할 수 있다. 전송 제어 신호 TX가 표명될 때, 포토다이오드(46)에서 생성된 이미지 신호는 부동 확산 영역(54)으로 전송될 수 있다. 리셋 트랜지스터(50)는 리셋 제어 신호 RSTG에 의해 제어되는 게이트를 가질 수 있다. 리셋 트랜지스터(50)는 리셋 전압 RSTD를 제공하는 전압원을 부동 확산(54)에 결합할 수 있다. 제어 신호 TX를 표명하기 전에, 리셋 제어 신호 RSTG를 표명함으로써 부동 확산 영역(54)의 전압이 리셋 전압 레벨 RSTD로 리셋될 수 있다. 원하는 경우, 리셋 제어 신호가 또한 다른 시간에 표명되어, 부동 확산 영역(54)의 전압을 리셋할 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(52)는 부동 확산 영역(54)에 결합된 게이트 단자를 가질 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터는 전원 전압 VAAPIX(예를 들어, 전원 전압 신호 VAAPIX)를 제공하는 전원(51)을 출력 라인(56)에 결합할 수 있다. 판독 동작들 동안, 출력 라인(56)은 어레이(20) 외부의 판독 회로에 이미지 신호 PIXOUT을 제공할 수 있다. 이미지 신호 PIXOUT은 부동 확산 영역(54)의 이미지 신호 전압 레벨에 대응할 수 있다. 원하는 경우, 출력 라인(56)은 또한 리셋 신호 PIXOUT을 어레이(20) 외부의 판독 회로에 제공할 수 있다. 리셋 신호 PIXOUT은 부동 확산 영역(54)의 리셋 신호 전압 레벨에 대응할 수 있다.
이미지 센서 픽셀(22)에 대한 동작 모드에서, 셔터링 동안, 부동 확산 영역(54) 및 감광 영역(46)은 둘 모두가 먼저 (트랜지스터들(48, 50)을 사용하여) 기준 전압 레벨(예를 들어, 전압 레벨 RSTD)로 리셋된다. 다음에, 감광 영역(46)은 노출 기간 동안 입사광에 따라 전하를 축적한다. 상관 이중 샘플링 방식에서, 부동 확산 영역(54)은 (트랜지스터(50)를 사용하여) 다시 리셋되고, (리셋 변환 동안) 출력 라인(56)을 통해 판독되고, ADC 회로(34)에 의해 디지털화된다. 다음에, 감광 영역(46)에 축적된 전하가 (트랜지스터(48)를 사용하여) 부동 확산 영역(54)으로 전송된다. 이어서, 부동 확산 영역(54)에 축적된 전하는 (신호 변환 동안) 출력 라인(56)을 통해 판독되고 ADC 회로(34)에 의해 디지털화된다. 판독된 2개의 신호를 사용하여 추가 처리(예컨대, 리셋 레벨 신호와 이미지 레벨 신호의 비교 등)가 일어날 수 있다.
원하는 경우, 픽셀(22)은 또한 행 선택 트랜지스터, 안티-블루밍 트랜지스터(anti-blooming transistor), 저장 다이오드, 추가 감광 요소, 또는 픽셀(22)의 동작에 적합한 임의의 다른 구조를 포함할 수 있다.
부동 확산 영역(54)은 전하 저장 능력을 갖는 도핑된 반도체 영역(예를 들어, 이온 주입, 불순물 확산 또는 다른 도핑 기술에 의해 규소 기판 내에 형성된 도핑된 규소 영역)일 수 있다. 이러한 전하 저장 능력은 용량 C2를 갖는 커패시터(60)로서 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 커패시터들(58, 60)을 갖는 예시적인 이미지 센서 픽셀에 대한 회로도이다. 도 4 내의 일부 특징들은 도 3 내의 유사한 특징들과 관련하여 이미 설명되었으며, 도 4 내의 강조된 특징들을 모호하게 하지 않기 위해 추가로 논의되지 않을 것이다.
픽셀(22)은 커패시터(58)로서 도시된 기생 용량 C1을 포함할 수 있다. 기생 용량 C1은 부동 확산 영역(54)에 (전압 VAAPIX를 제공하는) 전원(51)이 매우 근접한 결과로서 생성될 수 있다. 다시 말해서, 전원 전압 VAAPIX를 제공하는 금속 라우팅의 근접은 기생 용량에 기여할 수 있다. 전원과 부동 확산 영역(54) 사이의 그러한 결합은 전원 잡음 제거 비율(PSRR)을 저하시킨다. PSRR은 입력 잡음에 대한 출력 잡음의 로그 비율(log ratio)로서 표현되는 회로의 전원의 제거의 척도이다. 어레이(20) 외부의 회로에 대한 PSRR은 외부 회로를 사용하여 보상될 수 있다. 그러나, 어레이(20) 내의 픽셀들 내의 PSRR 기여는 이미지 센서 성능에 현저히 영향을 미칠 수 있다. 또한, 기생 용량 C1은 소스 팔로워 트랜지스터(52)의 게이트 단자와 소스-드레인 단자들 중 하나(예를 들어, 전원 전압 VAAPIX에서의 소스-드레인 단자) 사이의 용량 결합을 추가로 포함할 수 있다. 결합 효과는 동일 픽셀 행 내의 픽셀들에 대해 유사하게 나타날 수 있으며, 이에 따라 행 방식 잡음일 수 있다. 기생 용량 C1의 추가 소스들이 또한 픽셀(22) 내에 존재할 수 있다.
전원(51)은 부스터 회로(38)로부터 분리될 수 있지만, 별도의 부스터 회로에 결합될 수 있다. 원하는 경우, 전원(51)은 임의의 적합한 구성으로 형성될 수 있다. 전원 전압 신호 VAAPIX는 대응하는 전원(예를 들어, 외부 전원)으로부터의 잡음(62)(예를 들어, 전원 잡음)을 포함할 수 있다. 전원 전압 신호 VAAPIX 내의 전원(51)으로부터의 잡음은 기생 커패시터(58)를 통해 부동 확산 영역(54)으로 원하지 않는 잡음으로서 (화살표 64의 방향으로) 전파되어, 부동 확산 영역(54)에서 원하지 않는 잡음을 유발할 수 있다.
부동 확산 영역(54)에서의 원하지 않는 잡음은 원하지 않는 잡음을 갖는 리셋 신호를 생성하기 위해 리셋 전압 레벨 판독 동안 판독될 수 있다. 부동 확산 영역(54)에서의 원하지 않는 잡음은 또한 원하지 않는 잡음을 갖는 이미지 신호를 생성하기 위해 이미지 신호 전압 레벨 판독 동안 판독될 수 있다. 원하지 않는 잡음은 둘 모두의 신호를 오염시키거나 신호들 중 하나 또는 둘 모두를 완전히 가릴 수 있다.
잡음 소거 신호 RSTG(때때로 본 명세서에서 리셋 트랜지스터 제어 신호로도 사용되는 잡음 제거 신호 RSTG로 지칭됨)가 리셋 트랜지스터(50)의 게이트 단자에 제공될 수 있다. 다시 말해서, 신호 RSTG는 트랜지스터(50)에 대한 제어 신호 및 잡음 소거 신호 둘 모두로서 사용될 수 있다. 잡음 소거 신호 RSTG는 트랜지스터(50)를 제어하여 리셋 신호 RSTD의 일부가 부동 확산(54)으로 전송되도록 허용한다.
잡음 소거 신호 RSTG는 전원 전압 신호 VAAPIX 내의 잡음(62)에 대해 임의의 주어진 시간에 반대 진폭(예를 들어, 반전된 진폭)을 갖는 반전 잡음(66)을 가질 수 있다. 반대 및 반전은 본 명세서에서 2개의 전압 또는 신호의 반대 부호들(예를 들어, 양 및 음의 부호)(예를 들어, -0.1 V에 대해 0.1 V, 0.25 V에 대해 -0.25 V 등)을 나타내는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 반전 잡음(66)은 전원 전압 신호 VAAPIX 내의 잡음(62)에 대해 임의의 주어진 시간에 반대 및 스케일링된 진폭을 가질 수 있다. 반전 잡음(66)이 신호 RSTG 내에 있기 때문에, 반전 잡음(66)은 부동 확산(54)으로 전송되는 리셋 신호 RSTD의 부분에 상관될 수 있다. 다시 말해서, 잡음 소거 신호 RSTG는 리셋 트랜지스터(50)의 게이트 단자와 소스-드레인 단자들 중 하나(예를 들어, 부동 확산 영역(54)에 결합된 소스-드레인 단자) 사이의 용량 결합을 통해 (화살표 68의 방향으로) 전파될 수 있다. 원하는 경우, 게이트 단자와 부동 확산 영역(54)에 결합된 소스-드레인 단자 사이의 용량 결합 팩터는 분석적으로 또는 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여 결정될 수 있다.
반전 잡음(66)이 부동 확산 영역(54)으로 전파될 때, 그것은 임의의 주어진 시간에 부동 확산 영역(54)으로 전파된 잡음(62)에 대한 정확히 반전된 신호를 가질 수 있다. 예를 들어, 주어진 시간에, 부동 확산 영역(54)으로 전파된 잡음(62)이 0.1 V의 전압 레벨인 경우, 부동 확산 영역(54)으로 전파된 반전 잡음(66)은 -0.1 V의 전압 레벨이다. 상이한 트랜지스터들(예컨대, 트랜지스터(50) 및 트랜지스터(52))에 대한 게이트 및 드레인/소스 결합이 변할 수 있기 때문에, 신호 RSTG 내의 반전 잡음 성분은 반드시 다른 주어진 시간에 신호 VAAPIX의 전원 잡음 성분의 정확히 반대인 진폭을 갖지는 않을 수 있다. 대안적으로서, RSTG 내의 반전 잡음 성분은 다른 주어진 시간에 신호 VAAPIX의 전원 잡음 성분의 반대 진폭을 가질 수 있다. 신호 RSTG 내의 정확한 반전 잡음을 결정하여 부동 확산(54)으로 전파된 전원 잡음 성분을 소거하는 데 임의의 방법이 사용될 수 있다.
잡음(66)이 부동 확산 영역(54)으로 전파되고 잡음(62)과 합산될 때, 잡음(62, 66)이 소거되어, 부동 확산 영역(54)으로부터 임의의 원하지 않는 잡음(예컨대, 원하지 않는 전원 잡음)이 제거된다. 도 5는 신호 VAAPIX 내의 전원 잡음 및 신호 RSTG 내의 반전 잡음을 갖는 도 4의 타입의 픽셀(22)을 동작시키기 위한 예시적인 타이밍도이다. 픽셀(22)의 일부 동작 타이밍(예컨대, 셔터링 동작의 타이밍 등)은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 생략된다.
도 5에서, 시간 t1에서 t2까지, 리셋 신호가 (예컨대, 소스 팔로워 트랜지스터 및/또는 행 선택 트랜지스터, 또는 임의의 다른 판독 회로를 사용하여) 출력 라인(56) 상에서 PIXOUT으로서 판독될 수 있다. 시간 t1 전에, 부동 확산 영역(54)은 전술한 바와 같이 리셋될 수 있다(예를 들어, 표명 신호 A). 시간 t3에서 t4까지, 이미지 신호가 (예컨대, 소스 팔로워 트랜지스터 및/또는 행 선택 트랜지스터, 또는 임의의 다른 판독 회로를 사용하여) 출력 라인(56) 상에서 PIXOUT으로서 판독될 수 있다. 시간 t3 전에, 대응하는 노출 기간 동안 포토다이오드(46)에 축적된 전하가 부동 확산 영역(54)으로 전송될 수 있다(표명 신호 B).
도 5는 잡음 성분(예컨대, 잡음(62))을 갖는 신호 VAAPIX 및 반전 잡음 성분(예컨대, 반전 잡음(66))을 갖는 신호 RSTG를 도시한다. 반전 잡음(66)은 신호 RSTG가 로우 상태(예컨대, 상태 RSTG_LO)에 있을 때 존재할 수 있다. 리셋 변환 동작 및 신호 변환 동작 둘 모두 동안 부동 확산 영역(54)에서 원하지 않는 잡음이 감소된다. 따라서, 픽셀(22)로부터 판독되는 신호들은 전원 잡음에 의해 영향을 받지 않는다. 또한, 반전 잡음 소거가 구현될 때(예컨대, 잡음 제거가 구현될 때) 부동 확산 영역(54)에서의 원하지 않는 잡음이 감소된다. 표명 신호들(A, B) 동안, 반전 잡음 소거는 일시적으로 중지될 수 있는데, 이는 신호들이 논리 로우에 있을 때(예컨대, 신호들이 역표명될 때) 반전 잡음 소거가 일어날 수 있기 때문이다.
부스터 회로(38)가 픽셀(22)에 제어 신호 RSTG를 제공할 수 있기 때문에, 부스터 회로(38)는 반전 잡음(66)을 갖는 잡음 소거 신호 RSTG를 생성하는 회로를 포함할 수 있다. 도 6은 개루프 구현에서 부스터 회로(38) 내에 전원 잡음 소거 회로를 구현하는 예시적인 회로도이다. 개루프 구현은 응용 고유 목표를 달성하도록 의도적으로(예컨대, 수동으로) 조정되는 조정 가능 파라미터들이 존재하는 구성일 수 있다(예컨대, 파라미터들은 자체적으로 조정되지 않는다).
도 2와 관련하여 논의된 바와 같이, 픽셀(22)은 행 구동기 회로(40)를 통해 부스터 회로(38)에 결합될 수 있다. 더 구체적으로, (제어 신호 RSTG로도 지칭되는) 잡음 소거 신호 RSTG는 행 구동기 회로(40) 내의 스위치들(70, 72)에 결합될 수 있다. 스위치(70)는 논리 하이에 있는 제어 신호(예컨대, 신호 RSTG_HI)를 갖는 RSTG를 제공하도록 인에이블(예컨대, 폐쇄)될 수 있다. 스위치(72)는 논리 로우에 있는 제어 신호(예컨대, 신호 RSTG_LO)를 갖는 RSTG를 제공하도록 인에이블(예컨대, 폐쇄)될 수 있다. 스위치(72)는 고유 저항 Rs를 가질 수 있다. 신호 RSTG를 제공하는 데이터 라인은 또한 그의 부근에 있는 회로에 대한 기생 결합에 의해 생성되는 기생 용량(예컨대, 라우팅 용량, 픽셀 로딩 용량)을 가질 수 있다. 기생 용량은 용량 Cp를 갖는 커패시터(74)로서 도시된다. 커패시터(74)는 트랜지스터(50)의 게이트 단자와 추가의 접지 전압 단자 사이에 결합될 수 있다.
부스터 회로(38)는, 각각, 하이 부스터 회로 및 로우 부스터 회로를 사용하여 행 구동기 회로(40)에 신호 RSTG_HI 및 RSTG_LO를 제공할 수 있다. 하이 부스터 회로의 구현은 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해 생략된다. 당업자는 적합한 신호 RSTG를 생성하기 위한 부스터 회로(38)의 임의의 원하는 구현이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예로서, 도 6의 구현에서, 행 구동기 회로(40) 내에서 결정되는 바와 같이, 잡음 소거 신호 RSTG_LO가 신호 RSTG로서 사용될 때, 신호 RSTG가 잡음 소거 신호로서 구현된다. 원하는 경우, 다른 신호들이 또한 잡음 소거 신호들을 포함하는 구성이 또한 구현될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 부스터 회로(38) 내의 로우 부스터 회로는 (때때로 본 명세서에서 오피-앰프(78)로 지칭되는) 연산 증폭기(78) 및 오피-앰프(78)의 제1 입력(예컨대, 음 입력 단자)과 출력 단자 사이에 결합되는 잡음 소거 회로(76)를 포함할 수 있다. 오피-앰프(78)의 제2 입력(예컨대, 양 입력 단자)과 접지 전압 단자 사이에 커패시터(82)가 결합될 수 있다. 바이어스 샘플링 스위치(80)가 커패시터(82) 및 오피-앰프(78)의 제2 입력을 기준 전압 Vref에 결합할 수 있다. 조합하여, 커패시터(82)와 바이어스 샘플링 스위치(80)는 (바이어스 샘플링으로 지칭되는) 판독 바로 전에 스위치(80)를 디스에이블함으로써(예컨대, 스위치(80)를 개방함으로써) 기준 전압 신호로부터 잡음(예컨대, 증폭기 잡음, 내부 잡음)을 감소시키는 데 사용될 수 있다.
잡음 소거 회로(76)는 잡음(62)을 갖는 전원 전압 VAAPIX에 결합되는 입력을 가질 수 있다. 잡음 소거 회로(76)의 입력은 조정 가능 용량 Cin을 갖는 입력 커패시터(84)를 통해 오피-앰프(78)의 음 입력 단자에 결합될 수 있다. 잡음 소거 회로(76)는 오피-앰프(78)의 음 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합되는 자동-제로 스위치(86)를 포함할 수 있다. 잡음 소거 회로(76)는 오피-앰프(78)의 음 입력 단자와 출력 단자 사이에 직렬로 결합되는 커패시터(88) 및 스위치(90)를 또한 포함할 수 있다. 자동-제로 스위치(86)는 커패시터(88) 및 스위치(90)에 병렬로 결합될 수 있다. 커패시터(88)는 행 구동기 회로(40) 내의 커패시터(74)의 용량 또는 스케일링된 용량과 매칭되는 용량 Cf를 가질 수 있다. 스위치(90)는 행 구동기 회로(40) 내의 스위치(72)의 저항 또는 스케일링된 저항과 매칭되는 저항을 가질 수 있다. 또한, 커패시터(74)와 저항기(72) 조합의 시상수는 커패시터(74) 및 저항기(72)에 의해 유발되는 저역 통과 필터링 효과를 소거하기 위해 커패시터(88)와 저항기(90) 조합의 시상수와 매칭될 수 있다.
전원 잡음 소거 신호 RSTG_LO를 생성하기 위해, 입력 커패시터(84), 피드백 커패시터(88), 자동-제로 스위치(86)는 앞서 논의된 구성에서와 같이 오피-앰프(78)와 조합하여 피드백 루프 구성으로 구현된다. 전원 전압 신호 VAAPIX는 입력 커패시터(84)에 대한 입력으로서 사용된다. 자동-제로 스위치(86)가 인에이블(예컨대, 폐쇄)될 때, 통합 버퍼가 구성되며, 오피-앰프(78)의 출력 단자는 (스위치(80)가 폐쇄될 때) 신호 Vref를 갖는다. 이러한 동작 모드에서, 잡음 소거 회로(76)는 잡음 소거 능력(예컨대, 잡음 제거 능력)을 갖지 않는다. 자동-제로 스위치(86)가 디스에이블(예컨대, 개방)될 때, 전원 전압의 교류(AC) 성분에 대한 반전 증폭기가 구성되며, 잡음 소거(예컨대, 잡음 제거)가 인에이블된다. 반전 증폭기는 -Cin/Cf의 이득을 갖는다. 잡음 소거 회로(76) 내의 부분(92)은 행 구동기 회로 내의 부분(94)을 복제하도록 될 수 있다. 더 구체적으로, 스위치(72)의 스위치 저항 Rs에 대응하는(예컨대, 그와 동등한) 필터링 저항 Rf가 반전 증폭기의 전송 기능에 대한 고역 통과 필터를 생성하는 데 사용되어, 부분(94)의 저역 통과 필터 효과를 소거한다.
신호 VAAPIX를 제공하는 전원으로부터 버스 라인(56) 상의 신호 PIXOUT으로의 예시적인 전송 기능이 아래에 제시된다. 신호 PIXOUT에서 잡음 소거 효과를 얻기 위해 모든 파라미터가 추정 또는 조정될 수 있다. 원하는 경우, Cin은 특별히 잡음 소거 효과를 위해 조정될 수 있다.
Figure 112022052367326-pat00001
Figure 112022052367326-pat00002
항은 신호 VAAPIX에 교란(예컨대, 전원 잡음)이 있을 때 신호 RSTG로부터 신호 PIXOUT으로의 전파를 양자화하는 데 사용된다.
Figure 112022052367326-pat00003
항은 신호 VAAPIX에 교란(예컨대, 전원 잡음)이 있을 때 신호 VAAPIX로부터 신호 PIXOUT으로의 전파를 양자화하는 데 사용된다.
Figure 112022052367326-pat00004
는 신호 VAAPIX의 진폭 변화이다.
Figure 112022052367326-pat00005
은 신호 PIXOUT의 진폭 변화이다.
Figure 112022052367326-pat00006
은 트랜지스터(50)의 게이트 단자를 입력 단자로서 그리고 신호 출력 라인(56)을 출력 단자로서 사용하여 입력으로부터 출력으로 신호를 전파하는 전압 이득(예를 들어, 입력에서의 전압에 대한 출력에서의 전압의 비율)이다.
Figure 112022052367326-pat00007
은 신호 VAAPIX가 입력 단자로서의 트랜지스터(52) 및 출력 단자로서의 신호 출력 라인(56)에 제공되는 단자를 사용하여 입력으로부터 출력으로 신호를 전파하는 전압 이득(예를 들어, 입력에서의 전압에 대한 출력에서의 전압의 비율)이다. s는 동작 주파수를 나타내는 주파수 도메인에서의 상태 변수이다. 다른 항들은 도 6과 관련하여 앞서 논의되었다.
도 7은 도 6에 도시된 타입의 회로를 동작시키기 위한 예시적인 타이밍도이며, 여기서 픽셀(22)은 행 구동기 회로(40)를 통해 부스터 회로(38)에 결합된다. 픽셀(22)을 포함하는 회로의 일부 동작 타이밍(예컨대, 셔터링 동작의 타이밍 등)은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 생략된다. 도 7의 일부 특징들(예컨대, 표명 신호들 A 및 B, 시간 t1, t2, t3, 및 t4에서의 동작)은 도 5에 대한 특징들과 관련하여 이전에 설명되었다. 이러한 전술된 특징들의 상세는 이러한 특징들이 유사한 비슷한 기능들을 수행하는 경우에 생략된다.
각각, 바이어스 샘플링 스위치(80) 및 자동-제로 스위치(86)를 제어하는 신호 BS 및 AZ가 도 7에 도시된다. 시간 t5에서, 바이어스 샘플링 스위치(80)는 (도 6에서 앞서 논의된 바와 같이) 판독 바로 전에 신호 BS를 역표명하고 자동-제로 스위치(86)를 디스에이블하여 바이어스 샘플링을 인에이블함으로써 스위치 오프(예컨대, 개방)될 수 있다. 시간 t6에서, 자동-제로 스위치(86)는 신호 AZ를 역표명함으로써 스위치 오프(예컨대, 개방)될 수 있다. 자동-제로 스위치(86)를 개방하기 전에, (예컨대, 신호 RSTG_LO를 사용하는) 신호 RSTG는 반전 잡음(66)을 갖지 않을 수 있다. 자동-제로 스위치(86)를 개방(예컨대, 디스에이블)한 후에, (예컨대, 신호 RSTG_LO를 사용하는) 신호 RSTG 상에서 반전 잡음(66)이 생성될 수 있다. 따라서, 원하지 않는 잡음이 시간 t6 전에 부동 확산 영역(54)으로 전파될 수 있고, 원하지 않는 잡음이 시간 t6 후에 감소(예컨대, 소거)될 수 있다. 리셋 변환 및 신호 변환 동작들이 시간 t6 후에 일어날 수 있고, 감소된 전원 잡음을 가질 수 있다.
도 8은 폐루프 구현에서 부스터 회로(38) 내에 전원 잡음 소거 회로를 구현하는 예시적인 회로도이다. 폐루프 구현은 응용 고유 수단을 달성하기 위한 조정 가능 파라미터가 존재하지 않는 구성일 수 있다(예컨대, 파라미터들은 자체적으로 조정된다).
도 8은 도 6과 유사한 픽셀(22), 픽셀 구동기 회로(40) 및 부스터 회로(38)를 도시한다. 도 8의 일부 특징들(예컨대, 픽셀(22), 픽셀 구동기 회로(40) 및 부스터 회로(38)의 부분들)은 도 6에 대한 특징들과 관련하여 앞서 설명되었다. 이러한 전술된 특징들의 상세는 이러한 특징들이 유사한 비슷한 기능들을 수행하는 경우에 생략된다.
폐루프 구현에서, 부스터 회로(38)는 전원 잡음 소거 회로(96)를 포함할 수 있다. 잡음 소거 회로(96)는 기준 픽셀(예컨대, 다크 픽셀(21))로부터의 입력을 포함할 수 있다. 도 2와 관련하여 앞서 논의된 바와 같이, 다크 픽셀(21)은 입사광으로부터 차폐될 수 있으며, 이에 따라 입사광에 대응하는 이미지 신호를 생성하지 않을 수 있다. 다크 픽셀(21)은 또한 행 구동기 회로(40)가 액티브 픽셀(22)에 결합되는 방식과 유사하게 행 구동기 회로(40)가 다크 픽셀(21)에 신호 RSTG를 제공하게 하기 위해 행 구동기 회로(40)에 결합될 수 있다. 다시 말해서, 신호 RSTG는 다크 픽셀(21) 내의 유사한 리셋 트랜지스터에 제공될 수 있다. 다크 픽셀(21) 및 액티브 픽셀(22)은 부스터 회로(38)로부터 동일한 신호 RSTG_HI 및 RSTG_LO를 수신할 수 있다. 다크 픽셀(21)의 출력 라인(106)은 용량 Cc를 갖는 AC 결합 커패시터(100)를 통해 오피-앰프(78)의 음 입력 단자에 결합될 수 있다.
이러한 구성으로 구현될 때, 잡음 소거 회로(96)는 또한 추가 기생 결합 효과를 해결할 수 있다. 예를 들어, 픽셀(22)에 대한 (화살표 102로 지시되는) 트랜지스터(52)의 소스와 드레인 단자들 간의 결합이 (화살표 104로 지시되는) 다크 픽셀(21) 내의 대응하는 결합을 사용하여 소거될 수 있다.
개루프 구현에서와 같이 전원 전압 신호 VAAPIX를 반전시키는 대신에, 픽셀 잡음(예컨대, 전원 잡음)을 포함하는 (출력 라인(106)으로부터의) 다크 픽셀(21)의 출력은 오피-앰프(78)의 음 단자에 직접 결합될 수 있다. 다크 픽셀(21)은 액티브 픽셀(22)의 복제물일 수 있다. 이것은 다크 픽셀로부터의 모든 대응하는 잡음이 액티브 픽셀(22)에 대한 신호 RSTG_LO에서 생성되는 반전 잡음(66)에서 해결될 수 있는 피드백 효과를 가능하게 한다. 다크 픽셀(21)을 추가함으로써, 바람직한 반전 잡음(66)을 결정하는 데 사용되는 파라미터들이 수동적으로 결정될 수 있다. 다시 말해서, 파라미터가 수동으로 조정될 필요가 없기 때문에, 바람직한 반전 잡음(66)의 결정은 설계자로부터 숨겨질 수 있다.
도 9는 도 1 내지 도 8과 관련하여 전술한 바와 같은 ADC 회로를 갖는 이미저를 사용하는 이미징 장치(1008)(예를 들어, 도 1의 카메라 모듈)를 포함하는, 디지털 카메라와 같은, 예시적인 프로세서 시스템(1000)의 단순화된 도면이다. 제한 없이, 그러한 시스템은 컴퓨터 시스템, 정지 또는 비디오 카메라 시스템, 스캐너, 머신 비전 시스템, 차량 내비게이션 시스템, 비디오 폰, 감시 시스템, 오토 포커스 시스템, 스타 트랙커(star tracker) 시스템, 모션 검출 시스템, 이미지 안정화 시스템, 및 이미징 장치를 사용하는 다른 시스템들을 포함할 수 있다.
프로세서 시스템(1000), 예를 들어 디지털 정지 또는 비디오 카메라 시스템은 일반적으로 셔터 릴리스 버튼(1116)이 눌려질 때 이미징 장치(1008) 내의 하나 이상의 픽셀 어레이 상에 이미지를 포커싱하기 위한 렌즈(1114), 및 카메라 및 하나 이상의 이미지 흐름 기능을 제어하는 마이크로프로세서와 같은 중앙 처리 유닛(CPU)(1002)을 포함한다. 처리 유닛(1102)은 시스템 버스(1006)를 통해 하나 이상의 입출력(I/O) 장치(1110)와 통신할 수 있다. 이미징 장치(1008)가 또한 버스(1006)를 통해 CPU(1002)와 통신할 수 있다. 시스템(1000)은 또한 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1004)를 포함할 수 있고, 선택적으로, 버스(1006)를 통해 CPU(1002)와 또한 통신할 수 있는, 플래시 메모리와 같은, 이동식 메모리(1112)를 포함할 수 있다. 이미징 장치(1008)는 단일 집적 회로 상에 또는 상이한 칩 상에 메모리 저장소를 갖거나 갖지 않고서 CPU와 조합될 수 있다. 버스(1006)가 단일 버스로서 예시되어 있지만, 그것은 시스템(1000)의 시스템 컴포넌트들을 상호 접속하는 데 사용되는 하나 이상의 버스, 브리지 또는 다른 통신 경로일 수 있다.
이미지 센서들의 픽셀들에서 전원 잡음을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들을 예시하는 다양한 실시예들이 설명되었다.
일 실시예에서, 이미지 센서는 액티브 픽셀을 갖는 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있다. 액티브 픽셀은 입사광에 응답하여 이미지 신호들을 생성할 수 있다. 이미지 센서는 또한 전원 및 부스터 회로를 포함할 수 있다. 전원은 제1 잡음 성분을 갖는 전원 전압 신호를 액티브 픽셀에 제공할 수 있다. 부스터 회로는 제1 잡음 성분의 반전 버전인 제2 잡음 성분을 갖는 제어 신호를 액티브 픽셀에 제공할 수 있다. 제2 잡음 성분을 갖는 제어 신호는 원하지 않는 잡음(예컨대, 전원 잡음)인 제1 잡음 성분을 제거하는 데 사용될 수 있다.
부스터 회로는 연산 증폭기, 및 다양한 구성으로 연산 증폭기의 2개의 입력 단자 및 하나의 출력 단자에 결합되는 커패시터들 및 스위치들을 포함할 수 있다. 예로서, 제1 커패시터가 연산 증폭기의 제1 입력 단자에 결합될 수 있다. 제2 커패시터가 연산 증폭기의 제2 입력 단자에 결합될 수 있다. 제3 커패시터가 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합될 수 있다. 필터링 저항을 갖는 제1 스위치가 제3 커패시터와 직렬로 결합될 수 있다. 제2 스위치가 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합될 수 있다.
이미지 센서는 또한 부스터 회로와 액티브 픽셀 사이에 결합되는 행 구동기 회로를 포함할 수 있다. 행 구동기 회로는 부스터 회로에 의해 생성된 제어 신호를 액티브 픽셀에 직접 제공할 수 있다. 행 구동기 회로는 고유 저항을 갖는 제3 스위치 및 기생 용량을 갖는 제4 커패시터를 포함할 수 있다. 필터링 저항을 갖는 제1 스위치는 고유 저항을 갖는 제3 스위치의 복제물일 수 있다. 제3 커패시터는 기생 용량과 동일한 용량을 가질 수 있다.
액티브 픽셀은 감광 영역, 부동 확산 영역, 감광 영역을 부동 확산 영역에 결합하는 전송 트랜지스터, 및 부동 확산 영역을 출력 라인에 결합하는 소스 팔로워 트랜지스터를 포함할 수 있다. 액티브 픽셀은 또한 리셋 트랜지스터를 포함할 수 있다. 부스터 회로에 의해 생성된 제어 신호는 리셋 트랜지스터의 게이트 단자에 제공될 수 있다. 리셋 트랜지스터는 추가 전원을 부동 확산 영역에 결합할 수 있다. 액티브 픽셀은 부동 확산 영역과 전원 전압 신호를 제공하는 전원 사이에 결합되는 기생 커패시터를 추가로 포함할 수 있다. 제1 잡음 성분은 기생 커패시터를 통해 부동 확산 영역으로 전파되어, 부동 확산 영역에 저장된 신호들을 오염시킬 수 있다. 제2 잡음 성분은 리셋 트랜지스터의 단자들을 통해 전파될 수 있으며, 부동 확산 영역에서 제1 잡음 성분과 합산되어 제1 잡음 성분을 소거할 수 있다.
일 실시예에서, 이미지 픽셀들의 어레이는 입사광에 둔감한 다크 픽셀을 추가로 포함할 수 있다. 다크 픽셀은 기준 신호들을 생성하여 이들을 그의 출력 라인을 통해 출력할 수 있다. 다크 픽셀은 부스터 회로에 결합되어 기준 신호들을 사용하여 제2 잡음 성분을 생성할 수 있다. 부스터 회로에 의해 생성된 제어 신호는 또한 다크 픽셀 내의 트랜지스터에 제공될 수 있다. 이 실시예에서, 부스터 회로는 제1 및 제2 입력 단자들 및 출력 단자를 갖는 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 제1 커패시터가 제1 입력 단자에 결합될 수 있다. 다크 픽셀로부터의 기준 신호들은 제1 커패시터를 통해 연산 증폭기의 제1 단자에 결합될 수 있다. 제2 커패시터가 제2 입력 단자에 결합될 수 있다. 제1 스위치가 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합될 수 있다. 제2 스위치가 제2 커패시터 및 제2 입력 단자에 결합될 수 있다.
다른 실시예에서, 이미지 센서는 감소된 잡음을 갖도록 동작될 수 있다. 이미지 센서는 픽셀 어레이 내의 픽셀, 행 구동기 회로, 및 행 구동기 회로를 통해 픽셀에 결합되는 부스터 회로를 포함할 수 있다. 픽셀 내의 포토다이오드를 사용하여 입사광에 응답하여 신호가 생성될 수 있다. 포토다이오드로부터의 생성된 신호는 픽셀 내의 전송 트랜지스터를 사용하여 픽셀 내의 부동 확산으로 전송될 수 있다. 부동 확산으로 전송된 생성된 신호는 전원 잡음과 합산되고, 부동 확산에 조합된 신호로서 저장된다. 제어 신호 내의 반전 잡음이 트랜지스터의 게이트 단자에 제공되는 제어 신호를 사용하여 부동 확산 영역으로 전송될 수 있다. 반전 잡음은 조합된 신호와 합산되어 조합된 신호 내의 전원 잡음을 제거할 수 있다. 제어 신호 내의 반전 잡음은 제어 신호가 논리 로우에 있을 때 부동 확산으로 전송될 수 있다.
부스터 회로는 자동-제로 스위치를 추가로 포함할 수 있다. 자동-제로 스위치가 개방될 때, 제어 신호 내의 반전 잡음이 생성될 수 있다. 반전 잡음은 임의의 주어진 시간에 전원 잡음에 대해 반대 극성을 갖는다. 부스터 회로는 바이어스 샘플링 스위치를 추가로 포함할 수 있다. 자동-제로 스위치를 개방하기 전에, 바이어스 샘플링 스위치가 개방될 수 있다. 제어 신호 내에 반전 잡음을 생성하기 위해, 전원 잡음이 부스터 회로 내로 입력될 수 있고, 입력된 전원 잡음은 반전 증폭기를 사용하여 반전될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 시스템은 중앙 처리 유닛, 메모리, 렌즈, 입출력 회로, 행들 및 열들로 배열된 이미지 센서 픽셀들의 어레이, 및 부스터 회로를 포함할 수 있다. 렌즈는 이미지 광을 이미지 센서 픽셀들의 어레이 상에 포커싱할 수 있다. 이미지 센서 픽셀들은 이미지 광에 응답하여 아날로그 이미지 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. 이미지 센서 픽셀들의 어레이 내의 주어진 이미지 센서 픽셀은 잡음을 갖는 주어진 아날로그 이미지 신호를 생성할 수 있다. 부스터 회로는 주어진 픽셀에 결합되어, 주어진 픽셀 내의 트랜지스터에 대한 제어 신호를 주어진 픽셀에 제공할 수 있다. 제어 신호는 주어진 아날로그 이미지 신호 내의 잡음을 제거하는 데 사용되는 잡음 소거 신호를 포함할 수 있다.
부스터 회로는 두 가지 동작 모드로 동작 가능할 수 있다. 제1 동작 모드에서, 부스터 회로는 잡음을 제거하는 데 사용되는 잡음 소거 신호를 포함하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제2 동작 모드에서, 부스터 회로는 잡음을 제거하는 데 사용되는 잡음 소거 신호를 포함하지 않는 제어 신호를 생성할 수 있다. 이미지 센서 픽셀들의 어레이는 이미지 광으로부터 차폐되는 기준 픽셀을 포함할 수 있다. 기준 픽셀은 부스터 회로에 결합될 수 있다. 기준 픽셀은 잡음 소거 신호를 생성하기 위해 부스터 회로에 기준 신호를 제공할 수 있다.
실시예에 따르면, 이미지 센서는 픽셀들의 어레이 내에 액티브 픽셀을 포함할 수 있으며, 여기서 액티브 픽셀은 입사광의 수신에 응답하여 이미지 신호들을 생성한다. 이미지 센서는 액티브 픽셀에 결합되고 액티브 픽셀에 전원 전압 신호를 제공하는 전원 - 전원 전압 신호는 제1 잡음 성분을 가짐 -, 및 액티브 픽셀에 결합되고 액티브 픽셀 내의 트랜지스터에 대한 제어 신호를 제공하는 부스터 회로 - 제어 신호는 제1 잡음 성분의 반전 버전인 제2 잡음 성분을 가짐 - 를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 연산 증폭기, 제1 입력 단자와 전원 전압을 제공하는 제1 전원 사이에 결합되는 제1 커패시터, 제2 입력 단자와 접지 전압 단자 사이에 결합되는 제2 커패시터, 및 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합되는 제3 커패시터를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 제3 커패시터와 직렬로 결합되는 필터링 저항을 갖는 제1 스위치, 및 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합되는 제2 스위치를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이미지 센서는 행 구동기 회로를 추가로 포함할 수 있다. 부스터 회로는 행 구동기 회로를 통해 액티브 픽셀에 결합될 수 있고, 행 구동기 회로는 트랜지스터에 제어 신호를 직접 제공할 수 있다. 행 구동기 회로는 액티브 픽셀 내의 트랜지스터와 부스터 회로 내의 연산 증폭기 사이에 결합되는 고유 저항을 갖는 제3 스위치, 및 트랜지스터와 추가 접지 전압 단자 사이에 결합되는 기생 용량을 갖는 기생 커패시터를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 필터링 저항을 갖는 제1 스위치는 고유 저항을 갖는 제3 스위치의 복제물일 수 있으며, 여기서 제3 커패시터는 기생 용량과 동일한 용량을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 액티브 픽셀은 감광 영역, 부동 확산 영역, 감광 영역과 부동 확산 영역 사이에 결합되는 전송 트랜지스터, 및 부동 확산 영역을 출력 라인에 결합하는 소스 팔로워 트랜지스터를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제어 신호를 제공받는 트랜지스터는 리셋 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 부동 확산 영역에 리셋 전압 레벨을 제공하는 추가 전원을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 리셋 트랜지스터는 추가 전원을 부동 확산 영역에 결합한다.
다른 실시예에 따르면, 액티브 픽셀은 부동 확산 영역과 전원 전압 신호를 제공하는 전원 사이에 결합되는 기생 커패시터를 추가로 포함할 수 있다. 제1 잡음 성분은 기생 커패시터를 통해 부동 확산 영역으로 전파될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제어 신호로부터의 제2 잡음 성분은 리셋 트랜지스터를 통해 부동 확산 영역으로 전파될 수 있다. 제2 잡음 성분은 제1 잡음 성분과 합산되어 부동 확산 영역에서 제1 잡음 성분을 소거할 수 있고, 제1 잡음 성분은 임의의 주어진 시간에 제1 진폭을 가질 수 있고, 제2 잡음 성분은 동일한 주어진 시간에 제1 진폭의 반대인 제2 진폭을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이미지 센서는 픽셀들의 어레이 내에 다크 픽셀을 추가로 포함할 수 있다. 다크 픽셀은 입사광에 둔감할 수 있고, 다크 픽셀은 기준 신호를 생성할 수 있고, 다크 픽셀은 부스터 회로에 결합되어, 기준 신호들을 사용하여 제2 잡음 성분을 생성할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로로부터의 제어 신호는 다크 픽셀 내의 추가 트랜지스터에 대해 제공될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 연산 증폭기, 및 제1 입력 단자에 결합되는 제1 커패시터를 포함할 수 있다. 다크 픽셀에 의해 생성된 기준 신호들은 제1 커패시터를 통해 제1 입력 단자에 결합될 수 있다. 부스터 회로는 제2 입력 단자에 결합되는 제2 커패시터, 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 결합되는 제1 스위치, 및 제2 커패시터 및 제2 입력 단자에 결합되는 제2 스위치를 추가로 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 감소된 잡음을 갖는 이미지 센서는 픽셀 어레이 내의 픽셀, 행 구동기 회로, 및 행 구동기 회로를 통해 픽셀에 결합되는 부스터 회로를 포함할 수 있다. 이미지 센서를 동작시키는 방법은 픽셀 내의 포토다이오드를 이용하여, 입사광에 응답하여 신호를 생성하는 단계, 픽셀 내의 전송 트랜지스터를 이용하여, 포토다이오드로부터의 생성된 신호를 픽셀 내의 부동 확산 노드로 전송하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 부동 확산 노드로 전송된 생성된 신호는 전원 잡음과 합산되고, 조합된 신호는 부동 확산 노드에 저장된다. 방법은 트랜지스터의 게이트 단자에 제공된 제어 신호를 표명하여 제어 신호 내의 반전 잡음 성분을 부동 확산 노드로 전송하는 단계, 및 반전 잡음 성분을 조합된 신호와 합산하여 조합된 신호 내의 전원 잡음을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 자동-제로 스위치를 포함할 수 있다. 방법은 자동-제로 스위치가 개방될 때 제어 신호 내에 반전 잡음 성분을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 반전 잡음 성분은 임의의 주어진 시간에 전원 잡음에 대한 반대 진폭을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 바이어스 샘플링 스위치를 추가로 포함할 수 있다. 방법은 자동-제로 스위치를 개방하기 전에 기준 신호에 의해 부스터 회로에 제공된 내부 잡음을 감소시키기 위해 바이어스 샘플링 스위치를 개방하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제어 신호 내에 반전 잡음 성분을 생성하는 단계는, 부스터 회로를 이용하여, 전원 잡음을 수신하는 단계, 및 부스터 회로 내의 반전 증폭기를 이용하여, 수신된 전원 잡음을 반전시켜 반전 잡음 성분을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제어 신호 내의 반전 잡음 성분을 부동 확산 노드로 전송하는 단계는 제어 신호가 논리 로우에 있을 때만 제어 신호 내의 반전 잡음 성분을 부동 확산 노드로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 시스템은 중앙 처리 유닛, 메모리, 렌즈, 입출력 회로, 행들 및 열들로 배열된 이미지 센서 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 렌즈는 이미지 광을 이미지 센서 픽셀들의 어레이 상에 포커싱할 수 있고, 이미지 센서 픽셀들은 이미지 광에 응답하여 아날로그 이미지 신호들을 생성하도록 구성될 수 있고, 이미지 센서 픽셀들의 어레이 내의 주어진 이미지 센서 픽셀은 잡음을 갖는 주어진 아날로그 이미지 신호를 생성할 수 있다. 시스템은 주어진 픽셀에 결합되어, 주어진 픽셀 내의 트랜지스터에 대한 제어 신호를 주어진 픽셀에 제공하는 부스터 회로를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 제어 신호는 주어진 아날로그 이미지 신호 내의 잡음을 제거하는 데 사용되는 잡음 소거 신호를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 잡음을 제거하는 데 사용되는 잡음 소거 신호를 포함하는 제어 신호를 생성하는 제1 동작 모드, 및 잡음을 제거하는 데 사용되는 잡음 소거 신호를 갖지 않는 제어 신호를 생성하는 제2 동작 모드로 동작 가능할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이미지 센서 픽셀들의 어레이는 이미지 광으로부터 차폐되는 기준 픽셀을 포함할 수 있다. 기준 픽셀은 부스터 회로에 결합되고, 잡음 소거 신호를 생성하기 위해 부스터 회로에 기준 신호를 제공할 수 있다.
실시예에 따르면, 감소된 잡음을 갖는 이미지 센서는 픽셀 어레이 내의 픽셀, 행 구동기 회로, 및 행 구동기 회로를 통해 픽셀에 결합되는 부스터 회로를 포함할 수 있다. 픽셀은 포토다이오드 및 전송 트랜지스터를 포함하며, 여기서 포토다이오드는 입사광에 응답하여 신호를 생성하도록 구성될 수 있고, 전송 트랜지스터는 포토다이오드로부터의 생성된 신호를 픽셀 내의 부동 확산 노드로 전송하도록 구성될 수 있고, 부동 확산 노드로 전송된 생성된 신호는 전원 잡음과 합산될 수 있고, 조합된 신호는 부동 확산 노드에 저장될 수 있고, 제어 신호 내의 반전 잡음 성분을 부동 확산 노드로 전송하기 위해 트랜지스터의 게이트 단자에 제공된 제어 신호가 표명될 수 있고, 반전 잡음 성분은 조합된 신호와 합산되어, 조합된 신호 내의 전원 잡음을 제거할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 자동-제로 스위치를 포함할 수 있다. 자동-제로 스위치가 개방될 때, 부스터 회로는 제어 신호 내에 반전 잡음 성분을 생성하도록 구성될 수 있고, 반전 잡음 성분은 임의의 주어진 시간에 전원 잡음에 대한 반대 진폭을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 기준 신호에 의해 부스터 회로에 제공되는 내부 잡음을 감소시키기 위해, 자동-제로 스위치가 개방되기 전에, 개방될 수 있는 바이어스 샘플링 스위치를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부스터 회로는 또한 전원 잡음을 수신하도록 구성될 수 있고, 부스터 회로 내의 반전 증폭기는 수신된 전원 잡음을 반전시켜 반전 잡음 성분을 생성하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 트랜지스터는 제어 신호가 논리 로우에 있을 때만 제어 신호 내의 반전 잡음 성분을 부동 확산 노드로 전송하도록 구성될 수 있다.
위의 설명은 본 발명의 원리들을 예시할 뿐이며, 다양한 변경들이 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고서 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims (5)

  1. 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법으로서:
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 감광 요소(photosensitive element)에 의해, 입사광에 응답하여 이미지 신호를 생성하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 부동 확산 노드(floating diffusion node)에서, 전원 잡음을 수신하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 트랜지스터의 제어 단자에서, 잡음 소거 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 잡음 소거 신호에 의해 상기 전원 잡음을 제거하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법으로서:
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 감광 요소에 의해, 입사광에 응답하여 이미지 신호를 생성하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 부동 확산 노드에서, 전원 잡음을 수신하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 트랜지스터의 제어 단자에서, 잡음 소거 신호를 수신하는 단계;
    상기 잡음 소거 신호에 기초하여 상기 전원 잡음의 반전 버전을 생성하는 단계; 및
    상기 잡음 소거 신호에 의해 상기 전원 잡음을 제거하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전원 잡음을 제거하는 단계는 상기 부동 확산 노드에서 상기 전원 잡음의 반전 버전을 수신하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법.
  5. 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법으로서:
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 감광 요소에 의해, 입사광에 응답하여 이미지 신호를 생성하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 부동 확산 노드에서, 전원 잡음을 수신하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀을 위한 행 제어 회로에서, 상기 전원 잡음을 수신하는 단계;
    상기 행 제어 회로에 의해, 상기 수신된 전원 잡음을 반전시키는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 잡음 소거 신호를 생성하는 단계;
    상기 이미지 센서 픽셀 내의 트랜지스터의 제어 단자에서, 잡음 소거 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 잡음 소거 신호에 의해 상기 전원 잡음을 제거하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 내의 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 방법.
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